煤矿通风机应用高压变频调速的研究理论.docx

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1、煤矿通风机应用高压变频调速的研究理论煤矿通风机应用高压变频调速的研究理论对矿用主通风机的节能措施进展了研究总结。2.1矿用主通风机调节方法的技术特点调速型液力偶合器调节。放弃已老化的电动机控制系统，利用液力偶合器构造特点实现电动机空载启动，进步启动才能，减少对电网的冲击;传动介质为油液，可以隔离扭振，减缓冲击;构造简单可靠，控制方便;除轴承外无机械磨损，效率高，节能效果显著。变频调速器调速。利用变频调速器可以平稳地使主通风机风量由大供风量下降到矿井所需要的风量，主通风机的电动机输出功率大幅度降低，到达节电的目的。主通风机调节幅度越大节电效果越明显，反之亦然。可控硅串级调节电动机转速。转子电路串

2、接附加电阻调速是低效率的能耗调速方法。转子回路代替附加电阻接入1套电器装置调速具有显著节能的特点。电控系统采用PLC取代模拟控制和有触点电器的传统方案，只是控制转子的转差功率，进步系统可靠性，设备投资少。双闭环调节技术做到平滑无极调速及较硬的机械特性，是煤矿主通风机调速优选方案。直流机组调速。调速范围广、性能好、效率高、稳定可靠。但是，常见通风系统采用的沟通电动机需要改换成直流电动机，设备投资及电动机维护量大，不代表电气传动的开展方向，在矿用主通风机节能改造中应用较少。2.2矿用主通风机调速节电的考前须知主通风机的转速变化不宜过大，一般为70%100%，最低转速不小于额定转速50%，因为转速低

3、于40%50%时主通风机本身效率明显下降，也是不经济的;调速范围确定时注意机组的机械临界转速，否那么调速至谐振频率时可能损坏机组;选择调速装置的特性尽可能与主通风机的负载特性一致，否那么效果不理想;选择转速方案时进展技术、经济分析比拟，一般要综合考虑知足使用要求、风量变化类型、风机容量大小、调速装置技术复杂程度、调速装置可靠性及维修难易程度、对电网影响情况、节省电能消耗效益、必须进展专业培训。3煤矿主通风机变频调速的节能分析变频节能分析是调动用户施行煤矿通风机变频技术改造的最直接动力，中国矿业大学和位于济宁市邹城市的兖州矿业(集团)有限责任公司就不同情况的主通风机变频节能技术的机理开展研究，对

4、变频节能的效果进展分析。3.1根本理论通风机运行工况点及其调节。通风机的运行工况点M(QM，PM)是通风机特性曲线与通风管网阻力曲线的交点，过M点作垂线与效率曲线相交，获得相应的工况点效率M。在矿井通风中对通风机的工况调整有两种情况：一种是因为通风需求(QM，PM)的变化而进展的被动式调整，例如气量需求变化时的调节，方法有变频调节、动叶调节和节流调节等;另外一种是对节能效果(M)不满意而进展的主动性调整，也即进步通风机的运行效率，其实现比拟复杂，需要结合多种技术手段才能实现。他们所进展的变频节能属于后者。通风机通用性能曲线。在表示可变转速通风机运行曲线时，需要绘制出不同转速时的性能曲线，并且将

5、等效率曲线也绘制在同一张图上。这种曲线称为通用性能曲线。在轴流式通风机变转速通用性能曲线中，假如n1、n2、n3、n4为变转速性能曲线，1、2、3、4为等效率曲线，R1、R2、R3、R4为变管网阻力曲线。在特定的管网阻力条件下，不同的转速对应不同的运行工况点。以管网阻力曲线R2为例，风机转速n1、n2、n3、n4分别对应工况点E、C、F、M。由于通风机变转速通用性能曲线中存在着等效率曲线与管网阻力曲线重合的变转速范围，转速改变范围为n2n4，效率维持不变;转速下降到n2以下时，等效率曲线与管网阻力曲线别离，效率发生较大变化，工况不再相似。变频调节可以利用通风机变转速通用性能曲线的这个性质进展流

6、量调节，到达节流调节不可能到达的高效率。可动叶片调节。即动叶安装角可随不同工况而改变，通风机在低负荷时效率大为进步。叶片安装角增大时通风机的流量增大，反之减小。同时，通风机的效率也会有显著的变化，但在较大流量范围内可以保持较高效率。在流量调节时，由于防止了阀门调节的节流损失，所以这种调节方法经济性也很高。变频节能调节。变频节能调节有2种：第一种是在通风机的流量需要改变时直接改变通风机的转速，也就是改变通风机的通用性能曲线;第二种是在保持流量不变的情况下，利用变频设备和轴流式通风机可动叶片调节两种手段进展流量的互补调整，使通风机到达满意的效率，实现节能增效。矿井主通风机在1个特定工况往往要工作较

7、长时间才需要做出流量调整，用户更关心的是在当前工况怎样让通风机工作在高效率区，因此第二种变频节能对用户显得尤为重要。3.2变频节能调节的机理增加效率的变角度调整。在轴流式通风机的通用性能曲线中，当实际运行工况位于某一点A附近，效率仅为50%左右，明显偏低。能否进步工况点效率关键在于叶片安装角是否具备上调空间。工况点上调导致QM，PM相应改变，因此调角度只是节能调节的准备。假如A点的叶片安装角度为-5，具备上调的空间。假设增大叶片角度至5，运行工况点就会挪动到B点。这时通风机运行在高效区，BA，但是也使新工况偏离所需的气量，到达QB，QBQA。因此，单纯的叶片角度调整并不能知足节能和供气量为此不

8、变的需求。这时候就需要利用变频技术，将供气量由QB下调回QA，并维持B高效率工作，使通风机运行在高效率下保持原来的流量。知足通风需求的变频调整。在这台轴流式通风机的变转速(等同于变频)通用性能曲线中，在坐标比例严格一致的前提下，如今工况点A、B的Q、P与增加效率的变角度调整时A、B的Q、P是完全对应的。B点对应的转速为n2，这样就可以通过变频器调节通风机的转速，将其降低到n1，使通风机的工况点再从B回到A。综上所述，变频节能对机理可以归结为：通过调动叶片角度以进步效率;通过变频调速实现高效率的供风需求。叶片角度的改变程度越大，变频率也越大，节能的效果越明显。他们在煤矿主通风机变频节能的理论中还

9、发现，变频的实测节能效果比通过性能曲线理论预测还要高出3%5%。这是由于转速降低改善了通风机的内流状态，各种损失都会有所减少，进一步到达节能的效果。3.3体会煤矿主通风机变频技术是一种先进的调速控制方式，应当重点推广。一方面，它可以大幅度进步设备的运行效率，节能效果非常显著;另一方面，可以以配合设备的在线监测监控技术实现低负荷启停，减少重载骤停对设备的损害，减少设备的维护费用，延长设备的使用寿命。变频节能结合变频和动叶调节2种手段实现，叶片角度的改变程度越大，变频率也越大，节能的效果越明显。4煤矿风井主通风机“一拖二变频器的应用长期以来，煤矿由于受复杂的消费条件和环境影响，在矿用设备选型上都采

10、用富裕系数比拟大的规格型号，电动机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能特别严重。通风机作为矿井主要通风设备，常远大于煤矿正常消费所需的运行功率，且所需风量是一个不断加大的经过，主通风机运行的相当长时间内均背离最正确工况点，运行效率偏低，电能浪费较为严重;另外，矿井需要风量在某些阶段也需根据消费实际情况进展相应的调节。为此，位于济宁市邹城市的兖州矿业(集团)公司北宿煤矿开展了煤矿风井主通风机“一拖二变频调速技术应用的研究。4.1北宿煤矿西风井主通风机运行工况主通风机型号BDK60-8-26型，风量4965m3/min，负压1841Pa，电压6300V，电流46A;计算有功功率P=1.732UI

11、cos=1.7326300460.85=426.64kW。根据主通风机的性能曲线和现行风量需求，主通风机运行在小风叶+3性能曲线上，其性能曲线所需轴功率250kW。根据矿井的矿用通风机检测报告，主通风机运行工况在45点，技术测定说明其所需轴功率约315.20kW，而计算的实际运行有功功率为426.64kW，每年度多耗电能(426.64-315.20)24365=97.62万kWh。4.2高压变频器和液力耦合器调速运行比拟变频调速与液力偶合器调速的原理比拟。电动机采用变频调速后，电动机转轴与负载直接相连，但电动机不再由电网直接供电，而是由变频器供电，变频器通过改变电动机的供电频率改变电动机转速，

12、可以实现相当宽频率范围内无级调速，而且在全范围内具有优异的效率和功率因数特性。采用液力偶合器调速时，电动机转轴连接到液力偶合器，而负载连接到液力偶合器，电动机仍由电网供电。变频调速与液力偶合器调速的节能比拟。在典型的液力偶合器和高高变频器的效率一转速曲线中，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率根本上正比降低(额定转速时效率0.95，75%转速时效率约0.72，20%转速时效率约0.19)，而变频器在输出转速下降时效率仍然较高(额定转速时效率是0.975，75%以上转速时效率大于0.95，20%以上转速时效率大于0.90)。从曲线数据看，输出转速降低时液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多，

13、变频调速的低速特性比液力偶合器好。变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，除本身控制所需很少能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗根本上与输出功率成正比，变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行;液力偶合器依靠泵和涡轮传递能量，低速输出时泵和涡轮的效率均下降，综合效率随转速下降而下降。变频调速与液力偶合器调速的其它性能比拟。a.功率因数。变频调速可以在很宽的转速范围内保持高功率因数运行，如20%以上转速功率因数大于0.95;液力偶合器低速运行功率因数低于电动机额定功率因数，在70%以下转速时功率因数低于0.70。采用液力偶合器要进步功率因数那么需另加功率因数补偿

14、装置。b.启动性能。采用变频调速时，如电动机保持额定转矩启动，电网输入启动电流小于电动机额定电流10%，主通风机启动电流更小，而且启动全经过可控，启动点和爬坡时间可设置;液力偶合器不能直接改善启动性能，启动电流到达额定电流57倍，即使绕线型转子采取转子串电阻方法改善启动性能，但启动电流仍是额定电流2倍以上，是变频启动20倍以上。而且，直接启动造成电网电压短时下降，干扰其它设备运行。c.运行可靠性、运行维护。液力偶合器机械构造和管道系统复杂，要长期可靠运行那么维护工作量增大，出现故障无法直接定速运行，必须停机检修。固然高压变频装置电子线路比拟复杂，但目前技术已趋成熟，尤其是单元串联多电平方式的高

15、压变频装置具有单元自动切换和冗余运行特性，在单元故障时可不停机连续运行，可靠性得以保证，而且检修维护相当容易，只需定期更换进风过滤网即可。d.调节及控制特性。液力偶合器依靠调节工作腔油量改变输出转矩，响应速度跟不上控制需要;变频调速的频率改变速度相当快，完全可以以系统允许的最高速度进展调节。液力偶合器的速度调节精度低;变频调速属于数字式控制，稳频精度到达0.1%，可以实现准确控制。e.其它。液力偶合器调节需要改动主通风机的机械局部，占地面积大、改造时间长和经过复杂、以后的维修量较大，不利于主通风机长期平安运行。变频调速通过改变电源频率来实现电动机的无级变速，使主通风机到达转速的无级调节。主通风

16、机运行在最正确特性曲线上，极大进步运行效率，大幅度节约电能。4.3北宿煤矿西风井主通风机变频改造主通风机的机械特性具有二次方律特征，即转矩与转速二次方成正比例变化。在低速时由于流体的流速低，所以负载的转矩很小;随着电动机转速增加和流速加快，负载的转矩和功率也越来越大。从计算结果可看出，当被控制对象所需风量减少时，采用变频器降低主通风机的转速会使电动机的功耗大为降低。他们根据矿井巷道通风系统布局和消费情况，通过理论分析计算及变频器选型要求，沟通变频调速装置选择配套西门子PH-6-6-800无谐波高压变频器，功率800kW，输出电压6600VAC，输出电流92A，频率范围050Hz。详细方案是将主

17、通风机叶片换为大风叶，原有电动机保持不变，原有电动机高压控制柜保存作为备用，变频器前端采用干式隔离整流变压器，1台变频器带动1台对旋式通风机的2台电动机。整套变频器由变压器柜、输入输出柜、控制柜和单元柜4个局部组成，每套变频器需要增设1台高压开关柜进展控制。4.4主通风机变频改造效果运行理论说明，这个变频改造方案合适北宿煤矿西风井主通风机的运行状况，安装方便，节能效果明显;所选的变频器性能可靠、技术领先，可以实现主通风机的软启动，防止启动电流对电网的冲击，进步功率因数，不增加电网的谐波污染，消除可控硅设备的一大缺陷;主通风机的通风量不再由调整叶轮角度或者更换叶轮进展，调节范围0100%连续可调

18、，可以根据消费需要随意调节风量，减少浪费;主通风机处于适应的负荷状态运行，减少能耗;主通风机在较低速度下运行，极大降低主通风机工作的机械强度和电气冲击，大大延长使用寿命;电动机和主通风机的运转速度下降，光滑条件改善，传动装置故障率下降;系统完善的监控性能和高可靠性进步工作效率，减少检修和维护工作量;有效降低电动机和主通风机运行的噪声;安装、调试简便，不破坏原有的配电设施与环境，不影响矿井通风。5煤矿地面主通风机变频自动化改造位于济宁市任城区的山东华邦集团济宁何岗煤矿初期主通风机单机运行能知足通风要求，但运行方式性能曲线运行在非高效区域范围内，影响主通风机效率与工况。而且，随着矿井延伸，通风量需

19、求增大，需要双机运行。一旦启动，主通风机始终全速运行，风量又偏大，运行功耗多，能耗呈增高趋势，运行很不经济。因此，他们决定对2台主通风机进展变频改造。在原控制柜旁并联变频控制柜，采用变频器驱动主通风机，实现工频、变频双回路控制，形成“一用一备、“一拖二的方式驱动主通风机，具备工频、变频切换功能，既节约电能又起到保护主通风机设备和电网的作用。5.1何岗煤矿主通风机变频自动化改造何岗煤矿主通风机为BDK-10-22型;风量范围15005520m3/min;风压范围10302970Pa;转速594r/min;电动机型号YBF-355S4-10，110kW2;风机安装角度I级35、II级30;额定电压

20、380V;额定电流235A。主通风机变频自动化控制系统共采用2台变频器，每台变频器驱动1台主通风机，取消风门控制箱，采用变频控制柜的可编程控制器直接控制，并知足全部要求。变频柜装备250kW变频器，可同时驱动1台主通风机的2台110kW电动机;原有主通风机自耦降压启动柜保存并作为变频柜后备设备，新装变频柜与原柜并联安装、互相闭锁;其中1台变频柜发生故障时可自动切换到工频运行可以自动启动另一台变频柜，进而启动另一台主通风机同时对风门实现相应自动转换，2种故障处理的方式可用1个选择开关选定可以在集控室选择和操作;远程通讯控制和监视接口能与DCS集控系统联网实现远程控制与监视功能，在监控微机上可启动

21、2台主通风机中的任意1台电动机，且任意1台电动机的运行状况可在微机上直接监视;变频柜设置手动和自动调节风量2种控制方式，在自动调节风量状态下能按给定风量自动调整变频器输出频率，形成风量频率闭环控制;变频柜内安装防雷及过电压保护装置;具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护及声光报警功能，并具有电源指示、运行指示、频率显示等功能，所有故障现象及各种参数均可在现场和集控室显示或者报警;可实现远程反风操作，在监控主机操作时必须输入操作员密码方可进展相关操作，反风方式可采用本机或者启动另一台主通风机进展;风门控制装置安装在主通风机变频柜内，使用主电源和控制电源备自投电路，即2路电源只要有1路有电

22、就能保证风门控制装置正常工作，控制电源取自2个总进线柜，向主控PLC提供电源，进而实现远程分合两进线断路器和联络开关的功能。5.2主通风机变频改造总体效果何岗煤矿主通风机变频自动化改造后，实现变频与原工频控制互相闭锁，变频控制全经过采用PLC控制，主通风机有就地、微机、自动3种控制方式，正常情况下采用自动启动运行方式，变频器出现故障可自动切换到另一台主通风机运行;主通风机实现柔性启动，通风量无级调速，调速范围大、随机性强，可从050Hz对系统电网进展调整，减轻机械冲击，减少电动机疲劳磨损，降低电动机运行噪声与温度，有效延长电动机的使用寿命;各种保护更加齐全可靠，实现远程监控;通风机运行电流减少

23、81A，节电率到达37%，每年度可以节约电费14.8万元，节电效果非常明显，仅节约电费2a内即可收回改造本钱;何岗煤矿对主通风机变频自动化改造运行以来，通风机始终保持“平安、可靠、经济的运行状况，表达高效益、低本钱、经济实用的晋级技术改造原那么，比拟适于煤矿主通风机的自动化运行。6变频技术在离心式通风机上的应用矿井提升机主电动机的冷却至关重要。假如主电动机冷却系统设计不当，将会对提升机主电动机造成非常大的危害。传统的风量调节大都采用风门调节的方式，这种方式在实际使用中存在缺乏，给提升机的运行带来了平安隐患，同时也与提升机的全数字控制系统越来越不适应。位于济宁市邹城市的兖州矿业(集团)公司鲍店煤

24、矿通过把变频器的外部频率给定端子与电控系统可编程自动化控制器的模拟量输出端子连接，实现离心式冷却风机的风量随着矿井提升机主电动机定子温度的变化而自动调节，大幅度进步通风机的效率。6.1问题的提出鲍店煤矿副井的2部提升机曾经引进西门子技术进展电控系统改造，其主控系统为西门子S7-400系统，驱动系统采用晶闸管整流，运行以来获得了非常好的效果。其主电动机的冷却采用的是离心式通风机，利用调节风门开度大小来调节冷却风量大小，但是经过一段时间运行发现其存在以下的缺点：启动电流大，主通风机启动时假如风门的开度在15%以上那么通风机相当于带载启动，启动电流在600A(电压380V)以上时对电动时机产生较大的

25、冲击，曾经出现过开启主通风机时忘记关闭调节风门，导致启动电流过大、电动机烧毁事故的发生，主通风机位于提升机房的底层，调节起来不是很方便;通风机效率非常低，通风机负载转矩与转速2次方成正比、轴功率与转速3次方成正比，风门控制风量系统的通风机转速不变，电效率非常低，根据通风机实际运行情况来看，60%70%电能都消耗在调节风门及管网压降上，造成电能资源的浪费;风量不能自动调节，根据季节的不同，主电动机需要的冷却风量不同，假如一直把风门开得很大，其噪音很大，对提升机司机的安康不利，因此需要根据温度的变化，由人工来调节风门的开度，不能实现自动化调节。6.2方案选择如今变频技术已经非常成熟，从开场的V/F

26、控制到矢量控制，一直到如今的直接转矩控制。变频器产品己经系列化，性能非常可靠，在许多领域得到广泛的应用。他们经过论证，决定去掉调节风门，由变频器驱动主通风机电动机，通过调节电动机的转速来调节冷却风量。并将通风机变频器的控制信号引入提升机的控制系统中，实现通风机状态的实时监控和风量的自动调节。结合提升系统的实际情况，选用西门子MicroMaster440变频器，其控制方式为矢量控制，性能可靠稳定。6.3系统的功能风机的启动不再是全压启动，而是在变频器中设定电动机启动曲线，电动机将按照设定曲线启动，启动电流由600A以上降到200A以下，大幅度减少启动电流对电动机的冲击。变频器正常时的启动顺序。变

27、频器正常时，断开刀闸开关，闭合空气开关合上手动开关，变频器上电。绞车根据司机的命令发出“变频器启动命令，继电器吸合，变频器开场启动。启动完毕后，变频器“启动完毕反应信号接点闭合，风机正常启动完毕。在PLC程序中，对反应命令设置6s延时，即假如PLC发出“变频器启动命令6s以后，未得到变频器“启动完毕反应信号，那么会发通出风机故障的信号，并闭锁绞车，这时有可能是继电器故障或者变频器产生故障。变频器发生故障情况下的通风机启动。当变频器发生故障不能正常运行时，通风机的控制方式恢复到原来方式，启动顺序如下：首先要把风门的开度调节到15%以下，合刀闸开关，然后合带有过流保护功能的空气开关，最后合普通开关

28、，这时电动机全压启动。普通开关的设置就是为了在变频器损坏时，可以使通风机正常启动。同时刀闸Q2所带的辅助点信号输入PLC，PLC检测到这个信号，就会屏蔽检测变频器“启动完毕信号，仅仅检测接触器的辅助接点。频率的自动调节。厂家在主电动机的定子和转子中预埋了N00测温电阻。利用S7400PLC的模拟量输入模块，可以很容易检测到电动机实际温度，利用变频器的外部频率跟定功能，就可以实现频率随检测到的电动机实际温度自动调节，实现方法如下：把PLC中1个模拟量输出接点与变频器的外部频率给定接点连接，并把变频器的频率给定信号设置为4流信号，同时把连接的PLC模拟量输出接点输出信号也设置为420mA信号。根据

29、鲍店煤矿主电动机的绝缘为B级绝缘在PLC程序中设置当温度高于100时，PLC模拟量输出接点输出18mA信号，即通风机以88%的速度运行;当主电机温度低于20时，PLC模拟量输出接点输出6mA信号，即通风机以12%速度运行，在20100通风机电动机速度(以%表示)分成5个段。速度没有设置成随主电机温度成比例的变化，主要原因是主电动机温度随时在变化，假如不分段，那么通风机电动机的转速时刻在变化，对电动机的平安运行不利，所以把通风机运行速度按照温度范围分成几段。保护功能。通风机的状态监控。首先接触器的吸合状态要传入到PLC，同时变频器的启动反应信号也要传入到PLC，这2个信号正常，系统才认为通风系统

30、正常。在变频器损坏的情况下，系统就只是检测R的状态。绞车假如在提升经过中检测到风机故障，在温度不超过115时，允许本次提升完成，然后闭锁绞车直到故障处理完毕。提升机主电动机温度保护设置。当主电动机温度超过115时，控制系统就会产生电气制动，防止提升机主电动机超温产生其它的事故。6.4运行效果从投入运行以来，效果特别明显，主要有以下特点：彻底解决通风机启动电流大的问题，解除启动电流对电动机的冲击;增强系统的平安性，有效控制提升机主电动机温度的变化;根本是免维护运行，降低工人的劳动强度;降低主通风机运行时产生的噪音，减少噪音对工人的危害。改造以后，由于在变频器中设定了电动机启动曲线，离心式风机的电

31、动机不再是全压启动，启动电流由600A以上降低到200A以下，大幅度地减少启动电流对电动机的冲击。假如可编程自动化控制器发出“变频器启动命令6s以后，未得到变频器“启动完毕反应信号，那么会发出离心式冷却风机故障的信号，并且闭锁提升机;当变频器发生故障不可以正常工作的时候，离心式冷却风机的控制方式恢复为原先的方式。在主电动机的定子和转子中预埋了Ni100测温电阻，利用S7-400PLC的模拟量输入模块可以很容易检测到电动机的实际温度，利用变频器的外部频率跟定功能就可以实现频率随检测到的电动机实际温度自动调节。7完毕语通常情况下，煤矿每采1t煤炭就要向井下输送46t新颖空气，矿井主通风机的电耗约占煤矿电耗8%15%，是矿山消费的用电大户。然而，国内的煤矿对矿井主通风机选型一贯为高富裕才能，在矿井投产初期有的甚至在整个消费期实际运行的主通风机叶片安装角远小于选型安装角，电动机长期大马拉小车。根据科研人员对煤矿主通风机性能的现场测定，新矿井主通风机实际运行效率极少超过50%，有的甚至低于30%，这是对能源的极大浪费，也严重影响煤矿的效益，进步主通风机效率成为用户的迫切需要。如今，煤矿主通风机施行变频技术有了可靠的设备性能保证，对原有主通风机的节能改造已经成为可能。0